Микроскопия и глубокое обучение предсказывают вирусные инфекции

Исследователи из Цюрихского университета обучили искусственную нейронную сеть на флуоресцентных изображениях живых клеток надежно распознавать клетки, инфицированные аденовирусами или вирусами герпеса. Процедура также выявляет тяжелые острые инфекции на ранней стадии.

Автоматическое обнаружение инфицированных клеток

Исследовательская группа под руководством профессора Урса Гребера из Института молекулярных наук о жизни Цюрихского университета (UZH) впервые показала, что алгоритм машинного обучения может распознавать клетки, зараженные герпесом или аденовирусами, основываясь исключительно на флуоресценции клеточного ядра.

«Наш метод не только надежно идентифицирует инфицированные вирусом клетки, но и точно обнаруживает вирулентные инфекции заранее», — говорит Гребер.

Надежное прогнозирование тяжелых острых инфекций

Метод анализа основан на сочетании флуоресцентной микроскопии в живых клетках с процессами глубокого обучения. Вирусы герпеса и аденовирусы, образующиеся внутри инфицированной клетки, изменяют организацию ядра, и эти изменения можно наблюдать под микроскопом.

Исследователи обучили алгоритм глубокого обучения — искусственную нейронную сеть — автоматически обнаруживать эти изменения. Сеть обучается на большом наборе микроскопических изображений, благодаря чему она учится распознавать паттерны, характерные для инфицированных или неинфицированных клеток.

Команда также продемонстрировала, что алгоритм способен идентифицировать острые и тяжелые инфекции с точностью 95% и за 24 часа до их проявления. В качестве обучающего материала использовались изображения живых клеток при литических инфекциях (когда вирусные частицы быстро размножаются и клетки растворяются) и при персистентных инфекциях (когда вирусы производятся непрерывно, но в небольших количествах).

Новые возможности для исследований

Несмотря на высокую точность метода, пока неясно, какие именно особенности инфицированных клеточных ядер распознает искусственная нейронная сеть для различения двух фаз инфекции. Однако даже без этого знания исследователи теперь могут более детально изучать биологию инфицированных клеток.

Группа уже обнаружила некоторые различия:

• Внутреннее давление ядра выше при вирулентных инфекциях, чем в персистентные фазы.
• При литической инфекции вирусные белки накапливаются в ядре быстрее.

«Мы подозреваем, что определенные клеточные процессы определяют, разрушится ли клетка после заражения или нет. Теперь мы можем исследовать эти и другие вопросы», — говорит Гребер.

Исследователи считают, что их разработка имеет множество применений, включая прогнозирование реакции человеческих клеток на другие вирусы или микроорганизмы, а также открывает новые пути для понимания инфекций и поиска новых активных веществ против патогенов.